СПОСОБ ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 2003 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 G01V1/02 

Предлагаемое техническое решение относится к области геотехнических процессов добычи полезных ископаемых, в частности к способам воздействия управляемыми физическими волнами на продуктивные пласты, и может быть использовано при добыче жидких и газообразных углеводородов, воды и других жидких и газообразных полезных продуктов из земных недр, а также при геофизических исследованиях.

Известен способ волновой обработки продуктивных пластов продольными волнами от сейсмовиброисточника (последний состоит из генератора колебаний и излучающей платформы с системой согласования с грунтом), установленного на поверхности грунта (см., например, Н.П. Ряшенцев и др. Управляемое сейсмическое воздействие на нефтяные залежи. Препринт, 1989, 31, Новосибирск, Академия наук СССР, Специальное конструкторское бюро прикладной геофизики). Установлено, что средняя объемная плотность энергии волны в породе осадочного происхождения (песчаник, глина) пропорциональна плотности грунта.

В описываемом способе низка эффективность передачи сейсмосигнала от его источника на продуктивный пласт и нет средств, позволяющих изменять параметры воздействия на него. Это связано с тем, что присоединенная к излучающей платформе (штампу) масса грунта демпфирует колебания, что приводит к поглощению энергии, которая не доходит до продуктивного пласта.

Известен также способ разработки обводненного нефтяного месторождения по авт. свид. 1596081, кл. Е 21 В 43/00, опубл. в БИ 36, 1990, включающий вскрытие пласта скважинами, добычу пластовой жидкости через куст добывающих скважин, вибросейсмическое воздействие на пласт от наземного источника колебаний, определение частоты эффективного воздействия перебором частот излучаемых колебаний, определение до и после воздействия состава и количества добываемой жидкости. Находят обводненный участок месторождения с неподвижной нефтяной фазой, в пределах участка на кусте добывающих скважин устанавливают вибросейсмический источник, в одну из добывающих скважин на глубину коллектора помещают сейсмический приемник и измеряют микросейсмический фон в течение двух-трех суток с одновременным определением процентного содержания нефти в скважинной жидкости, проводят вибросейсмическое воздействие с перебором частот. После прекращения воздействия измеряют амплитудный спектр микросейсмического фона, а по выявленным дополнительным частотам в спектре находят доминантную частоту, производят воздействие на этой частоте, поочередно перемещают источник на полдлины волны до прекращения увеличения содержания нефти в скважинной жидкости и определяют радиус эффективной зоны действия источника, устанавливают дополнительные источники на расстоянии друг от друга, равном диаметру эффективной зоны действия источника, и производят вибросейсмическое воздействие на доминантной частоте.

Недостатком рассматриваемого способа являются также потери энергии в присоединенной массе грунта, так как последний из-за наличия пор и трещин гасит волновые колебания, что снижает эффективность воздействия на продуктивный пласт, несмотря на использование доминантной частоты колебаний. Кроме того, процесс добычи усложнен из-за необходимости перемещения источника на полдлины волны.

Известен способ разработки нефтегазового месторождения по патенту РФ 2078913, кл. Е 21 В 43/18, опубл. в БИ 13, 1997, включающий закачку вытесняющего агента через нагнетательные скважины, добычу пластового флюида через добывающие скважины, циклическое вибросейсмическое воздействие с перебором частот на продуктивный пласт от наземных источников колебаний, определение до и после воздействия состава и количества добываемого флюида, выявление доминантных частот пласта по реакции его микросейсмического фона на вибросейсмическое воздействие и выполнение дополнительного вибросейсмического воздействия на доминантной частоте. При этом циклическое вибросейсмическое воздействие с перебором частот проводят при одновременном ступенчатом, с шагом ΔР, снижении пластового давления в каждом цикле путем изменения темпов закачки вытесняющего агента и добычи пластового флюида. Затем определяют величину снижения пластового давления, обеспечивающего максимальную реакцию пласта на вибросейсмическое воздействие на доминантной частоте, и проводят дополнительное вибросейсмическое воздействие при этом значении пониженного пластового давления. После этого восстанавливают пластовое давление до значения, обеспечивающего оптимальный режим разработки пласта, и проводят повторное дополнительное вибросейсмическое воздействие на пласт.

Недостатком рассматриваемого способа является потеря энергии в присоединенной массе грунта, так как последний из-за наличия пор и трещин гасит колебания, что снижает эффективность вибросейсмического воздействия. Кроме того, известный способ сложен в применении из-за необходимости изменения темпов закачки вытесняющего агента.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ волновой обработки пластов по патенту РФ 2001254, кл. Е 21 В 43/25, опубл. в БИ 37-38, 1993, включающий генерирование гармонических волн путем колебания от силового привода с заданной частотой виброисточника и воздействия его на излучающий штамп, причем вибросейсмическое воздействие на пласт ведут виброисточником, массоэнергетические параметры которого согласовывают с физико-механическими свойствами грунта, при этом собственную частоту W виброисточника определяют по установленной зависимости, а обработку пласта проводят при равенстве собственной частоты виброисточника с угловой частотой продуктивного пласта.

Недостаток известного способа заключается в следующем. Так как грунт под штампом неоднороден, а штамп имеет большую площадь, то в различных его точках будет различная частота согласования с грунтом, так как в этих точках будут различные Е, μ и ρ грунта, а значит, отдельные точки могут быть согласованы по частоте, а некоторые - нет. Поэтому для штампа не существует оптимальной частоты согласования с грунтом, то есть отдельные части штампа работают несинхронно. Это повышает реактивную нагрузку и снижает КПД и, как следствие, разрушает штамп и уменьшает эффективность нефтедобычи.

Технической задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение эффективности передачи вибросейсмического сигнала от его источника, установленного на поверхности грунта, на продуктивный пласт за счет повышения плотности, удельного веса и снижения жесткости грунта в объеме его присоединенной массы.

Эта задача решается тем, что в способе волновой обработки, преимущественно продуктивных пластов, заключающемся в волновом воздействии на продуктивный пласт с помощью сейсмовиброисточника, установленного излучающей платформой на поверхности грунта, согласно техническому решению изменяют физико-механические свойства грунта в объеме его присоединенной массы путем образования в ней скважин с последующей подачей через них в присоединенную массу грунта практически несжимаемой жидкости, обеспечивающей заполнение ею пор и трещин грунта в объеме его присоединенной массы, при этом физико-механические свойства грунта в объеме его присоединенной массы изменяют до включения сейсмовиброисточника. Такая совокупность операций позволяет повысить эффективность передачи вибросейсмического сигнала от его источника, установленного на поверхности грунта, на продуктивный пласт. Это достигается за счет того, что уменьшают потери этого сигнала в присоединенной массе грунта за счет создания однородной среды, близкой по своим физико-механическим свойствам к жидкости, а следовательно, это позволяет увеличить удельный вес и плотность присоединенной массы грунта и уменьшить ее жесткость. Изменение указанных свойств грунта до включения сейсмовиброисточника позволяет осуществлять ее в любое удобное время, не связанное со временем волнового воздействия на продуктивный пласт, а главное - стабилизировать параметры грунта для последующего волнового воздействия, так как исключается процесс релаксации грунта.

Кроме того, уменьшаются потери энергии на волны Релея. Поясним это. При поверхностном вибровозбуждении среды возникает несколько типов волн. Энергия, затрачиваемая на их возбуждение, примерно такова: волна Релея - 70%; продольная волна - 20%. Известно также, что в идеальной жидкости волны Релея не возбуждаются. Предлагаемый способ создает среду, которая близка к жидкости, поэтому происходит перераспределение энергии на возбуждение волн разных типов. На возбуждение продольных волн, которые нас интересуют, тратится в 7-10 раз больше энергии. Это, в конечном счете, способствует повышению эффективности передачи вибросейсмического сигнала в продуктивный пласт.

Целесообразно практически несжимаемую жидкость нагнетать в скважины. Подача под давлением обеспечивает быстрое проталкивание ее в поры и трещины грунта, даже в небольшие по размерам, что обеспечивает быстрое заполнение объема присоединенной массы грунта и полное его насыщение практически несжимаемой жидкостью.

Целесообразно в качестве практически несжимаемой жидкости использовать воду. Это упрощает реализацию предлагаемого способа.

Целесообразно при этом воду перед подачей ее в скважины нагревать. Это позволяет применять предложенное техническое решение в случае неглубокого промерзания грунта, что расширяет область его применения по климатическим условиям.

Целесообразно при этом воду нагревать до парообразования, что расширяет диапазон возможного применения предлагаемого способа, так как пар легче проникает в более мелкие поры и трещины, чем жидкость (со временем под действием температуры окружающего грунта пар переходит в жидкость). Кроме того, пар более интенсивно разогревает тонкий замерзший слой грунта, обеспечивая проникновение влаги сквозь него.

Целесообразно также в качестве практически несжимаемой жидкости использовать жидкость с низкой температурой замерзания, например, бензин, керосин или антифриз. Это решение позволяет, обеспечивая повышение плотности и удельного веса присоединенной массы грунта, использовать предлагаемый способ в зимних условиях.

Целесообразно до изменения физико-механических свойств грунта в объеме его присоединенной массы проводить ее предварительную волновую обработку. Такая операция позволяет улучшить параметры присоединенной массы грунта. Дальнейшее изменение физико-механических свойств объема присоединенной массы грунта позволяет получить ее оптимальные параметры, обуславливающие наиболее эффективную передачу вибросейсмического сигнала. Это может быть достигнуто за счет различных параметров при предварительной волновой обработке (резонансная частота) и при волновом воздействии на продуктивный пласт (доминантная частота).

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом, где показана операция нагнетания практически несжимаемой жидкости в присоединенную массу грунта.

Установлено, что при сейсмическом воздействии на сухой и влагонасыщенный грунт наблюдается различная передача сигнала: во влагонасыщенном грунте параметры сигнала в 3-8 раз превышают сигнал, полученный при воздействии на сухой грунт (см. , например, А.Я. Рубинштейн, Б.И. Кулачкин. Динамическое зондирование грунтов, М., "Недра", 1984, стр.33, 35, 70, рис. 1-4). Так, на рис. 1 показана сейсмограмма разжижения намывных песков при динамическом зондировании. Если смотреть по положительному импульсу, то у влагонасыщенного песка он превышает сигнал, полученный у сухого песка, в 7 раз, а по отрицательному импульсу - в 10 раз. На рис.2 показаны кривые распределения комплексного показателя механических свойств грунтов, каким является условное динамическое сопротивление Р_д, определяющее характер изменчивости грунтов и степень неоднородности механических свойств выделенных слоев с помощью известных математических зависимостей количественной оценки их изменчивости.

Частота колебаний влагонасыщенных суглинков почти в 2 раза превышает частоту сухих суглинков; на рис. 3 показана кривая затухания амплитуды А колебаний намывного песка по мере удаления от источника возбуждения на расстояние l. Из графиков видно, что после разжижения (показано пунктиром) амплитуда колебаний в 2-3 раза превышает амплитуду колебаний сухого песка; на рис. 4 - амплитудно-частотная характеристика намывных песков, из которой видно, что постоянные колебания вынуждающей силы определенной частоты вызывают с каждым последующим импульсом все большее разрушение грунта и уменьшение частоты колебаний последнего.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока частота f_o колебаний вынуждающей силы не приблизится к частоте f собственных колебаний грунта. Тогда амплитуда колебаний грунта резко возрастет и грунт разжижается.

Сущность предлагаемого способа волновой обработки, преимущественно продуктивных пластов, заключается в искусственном увеличении удельного веса и плотности присоединенной массы грунта, а значит, и самой присоединенной массы грунта, и уменьшения ее жесткости за счет подачи в ее поры и трещины практически несжимаемой жидкости. Для этого образуют скважины в присоединенной массе грунта и подают через них в присоединенную массу грунта практически несжимаемую жидкость (воду, керосин, бензин, антифриз или скважинную жидкость, представляющую собой смесь воды и нефти). Подача практически несжимаемой жидкости обеспечивает заполнение пор и трещин грунта в объеме его присоединенной массы.

Способ реализуют следующим образом.

Генератор 1 колебаний (см. чертеж) сейсмовиброисточника устанавливают на излучающую платформу (не показана), которую обычно заглубляют в грунт 2 с поверхности. Присоединенная масса 3 грунта 2, ограниченная на чертеже пунктирной линией, определяется зоной действия генератора 1 колебаний. Последний может быть любой конструкции и основан на любом принципе действия, то есть может представлять собой вращающиеся массы или ударник, движущийся под действием пневмо- или гидропривода и ударяющий по излучающей платформе, и так далее. Затем образуют в присоединенной массе 3 грунта 2 скважины 4 и через них с помощью инжекторов 5 в присоединенную массу 3 грунта 2 подают практически несжимаемую жидкость. В качестве такой жидкости может быть использована вода, керосин, бензин, антифриз и т.д. Скважины 4 могут быть наклонными или вертикальными и расположены вокруг генератора 1 колебаний и даже под ним (обычно до его установки). В излучающей платформе можно предусмотреть отверстия для запуска через них в грунт 2 пневмопробойника и образования скважин 4 после установки излучающей платформы. Если скважины 4 выполняют наклонными, то в этом нет необходимости.

При проходке скважин 4 грунт 2 вокруг них уплотняется. Это предопределяет прежде всего заполнение пор и трещин присоединенной массы 3 вытесняемым грунтом 2, что приводит к повышению ее жесткости. Последующая подача в скважины 4 практически несжимаемой жидкости приводит к повышению удельного веса, плотности и уменьшению жесткости присоединенной массы 3 грунта 2, который разжижается.

Изменение физико-механических свойств грунта 2 в объеме его присоединенной массы 3 - увеличение его плотности, удельного веса и уменьшение жесткости - осуществляют до включения генератора 1 колебаний сейсмовиброисточника. В этом случае происходит разделение операций волнового воздействия на продуктивный пласт и изменения физико-механических свойств грунта 2 в объеме его присоединенной массы 3.

При включении генератора 1 колебаний вибросейсмические сигналы через присоединенную массу 3 грунта 2 более эффективно передают на продуктивный пласт, так как менее жесткая (насыщенная водой) присоединенная масса 3 грунта 2 способствует этому. При этом нужно учесть, что выбранная жидкость является практически несжимаемой (в диапазоне создаваемых давлений). В случае использования нагретой воды предлагаемый способ эффективен в зимних условиях, когда температура воздуха ниже нуля и уже образовался неглубокий замерзший слой грунта 2. Нагретая жидкость отогревает его и просачивается вглубь присоединенной массы 3 грунта 2.

Нагрев жидкости до парообразования в зимних условиях способствует более интенсивному прогреву замерзшего слоя грунта 2. Кроме того, появляется новый эффект, связанный с тем, что пар заполняет мелкие поры и трещины, куда не попадает жидкость. В итоге присоединенную массу 3 грунта 2 заполняют жидкостью более полно (со временем пар, попавший в микропоры и микротрещины, переходит в жидкость, что и необходимо для повышения удельного веса, плотности и уменьшения жесткости присоединенной массы 3 грунта 2).

При работе в условиях низких температур целесообразно использовать вместо воды жидкость с низкой температурой замерзания, например керосин, бензин или антифриз, что позволяет присоединенную массу 3 грунта 2 сделать малочувствительной к замерзанию и, следовательно, обеспечивает возможность работы в зимних условиях. Это связано с тем, что находящаяся в присоединенной массе 3 грунта 2 вода замерзает под излучающей платформой на разную глубину (в зависимости от расположения участка грунта относительно центра излучающей платформы). Это приводит к увеличению несинфазности колебаний излучающей платформы и, как следствие, к ее разрушению и снижению мощности излучения. При использовании незамерзающих жидкостей (антифриз, керосин, бензин) этого эффекта не происходит, что приводит к повышению ресурса работы излучающей платформы. С экологической точки зрения локальное загрязнение грунта 2 в объеме его присоединенной массы 3 (при использовании, например, антифриза) незначительно.

Увеличение удельного веса присоединенной массы 3 грунта 2 позволяет получить дополнительный эффект, заключающийся в уменьшении массы сейсмовиброисточника. Покажем это на примерах, когда присоединенная масса 3 грунта 2 имеет различные плотность и удельный вес.

Рассмотрим воздействие сейсмовиброисточника на продуктивную залежь с толщиной h = 75 м продуктивного пласта; скорость прохождения упругих волн, направленных перпендикулярно продуктивному пласту V = 600 м/с; возмущающая сила генератора l колебаний F = 10⁵ Н, который установлен на излучающей платформе, заглубленной с поверхности в грунт 2, состоящий из супеси с глиной со следующими характеристиками: плотность грунта 2 после и до уплотнения ρ₁ = 2500 кг/м³; ρ₂ = 1870 кг/м³; модуль упругости Е = 1•10⁸ Н/м²; коэффициент поперечной упругой деформации μ = 0,25.

Определим резонансную частоту продуктивного пласта при коэффициенте k повторяемости прохождения генерируемых сейсмических волн, равном 1, 2, 3, 4 (рассмотрим в примере k = 1)

Зная возмущающую силу F=10⁵ Н, определим площадь S излучающей платформы при удельной динамической нагрузке q = 2,8 • 10⁴ Н/м²
.

Эквивалентный приведенный радиус излучающей платформы

Присоединенная масса 3 грунта 2 определяется по формуле
m_гр = 1,17ρ•r30

Определим жесткость присоединенной массы грунта 2 по формуле

Определим массу m_в виброисточника по формуле

Определим массу генератора 1 колебаний и излучающей платформы для грунтов 2 с плотностями ρ₁ и ρ₂ по формуле m_г=m_в - m_гр
m_г1=200000-112000=88000 кг,
m_г2=200000-83700=116300 кг.

В итоге получим, что с увеличением удельного веса присоединенной массы 3 грунта 2 уменьшается масса генератора 1 колебаний и излучающей платформы (в рассматриваемом случае на 28300 кг).

Изменение физико-механических свойств грунта 2 в объеме его присоединенной массы 3 можно осуществлять при том же режиме, что и вибровоздействие на продуктивный пласт (на доминантной частоте).

Однако присоединенная масса грунта 3 и продуктивный пласт находятся на разной глубине, имеют различные физико-механические свойства и соответственно резонансные и доминантные частоты их обработки могут существенно отличаться. Поэтому целесообразно сначала провести операцию по изменению физико-механических свойств в объеме присоединенной массы грунта, осуществив при этом ее предварительную волновую обработку на резонансной частоте, а затем осуществлять вибровоздействие на продуктивный пласт на доминантной частоте, оптимальной с точки зрения повышения нефтеотдачи.

Изобретение относится к области геотехнических процессов добычи полезных ископаемых, в частности к способам воздействия управляемыми физическими волнами на продуктивные пласты, и может быть использовано при добыче жидких и газообразных углеводородов, воды и других жидких и газообразных полезных ископаемых из земных недр, а также при геофизических исследованиях. Способ заключается в волновом воздействии на продуктивный пласт с помощью сейсмовиброисточника, установленного излучающей платформой на поверхности грунта. Изменяют физико-механические свойства грунта в объеме его присоединенной массы путем образования в ней скважин с последующей подачей через них в присоединенную массу грунта практически несжимаемой жидкости. Этой жидкостью заполняют поры и трещины грунта в объеме его присоединенной массы. Физико-механические свойства грунта в объеме его присоединенной массы изменяют до включения сейсмовиброисточника. До изменения физико-механических свойств грунта в объеме его присоединенной массы может быть проведена предварительная ее волновая обработка. Повышается эффективность передачи вибросейсмического сигнала от его источника, установленного на поверхности грунта, на продуктивный пласт за счет повышения плотности, удельного веса и снижения жесткости грунта в объеме его присоединенной массы. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ волновой обработки, преимущественно продуктивных пластов, заключающийся в волновом воздействии на продуктивный пласт с помощью сейсмовиброисточника, установленного излучающей платформой на поверхности грунта, отличающийся тем, что изменяют физико-механические свойства грунта в объеме его присоединенной массы путем образования в ней скважин с последующей подачей через них в присоединенную массу грунта практически несжимаемой жидкости, обеспечивающей заполнение ею пор и трещин грунта в объеме его присоединенной массы, при этом физико-механические свойства грунта в объеме его присоединенной массы изменяют до включения сейсмовиброисточника. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что практически несжимаемую жидкость в скважины нагнетают. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве практически несжимаемой жидкости используют воду. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что воду перед подачей ее в скважины нагревают. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что воду нагревают до парообразования. 6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве практически несжимаемой жидкости используют жидкость с низкой температурой замерзания, например бензин, керосин или антифриз. 7. Способ по одному из пп. 1 - 6, отличающийся тем, что до изменения физико-механических свойств грунта в объеме его присоединенной массы проводят ее предварительную волновую обработку.